JP4494562B2

JP4494562B2 - 太陽光発電用電力変換装置

Info

Publication number: JP4494562B2
Application number: JP27481299A
Authority: JP
Inventors: 剛平野; 裕政久保
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 1999-09-28
Filing date: 1999-09-28
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2019-09-28
Also published as: JP2001103768A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池の直流電力を交流電力に変換して出力する太陽光発電用電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換装置として、太陽電池で発電した直流電力を、商用周波数の交流に変換して商用系統と連系し、交流電力を系統に送り出す太陽光発電用系統連系インバータ（以下「ＰＶインバータ」という）がある。
【０００３】
かかるＰＶインバータには、その内部に絶縁トランスを設けて直流部と交流部とを電気的に絶縁する絶縁トランス方式のＰＶインバータと、絶縁トランスを用いないトランスレス方式のＰＶインバータとがあり、トランスレス方式のＰＶインバータは、絶縁トランス方式のＰＶインバータに比べて、低価格化、小型軽量化、総合効率が高いといった利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、国内の電力需要家が利用している系統電圧の種類には、単相２線式や単相３線式あるいは三相３線式や三相４線式があるが、特に多く利用されている三相３線式においては、Ｖ相が接地される、いわゆる三相３線式Ｖ相接地方式が多く採用されている。すなわち、Ｖ相が接地され、Ｖ相には対地間電位が発生しない。
【０００５】
この三相３線式Ｖ相接地方式の系統電源３に、従来より一般的に使用されているフルブリッジのインバータ回路５₀で構成された三相出力のＰＶインバータを、絶縁トランス無しで接続連系する、すなわち、上述のトランスレス方式のＰＶインバータを用いると、図６に示されるように、ＰＶインバータ入力の直流部の対地間電位が商用周波数、商用電圧で変動し、直流部の対地間容量には交流電圧が印加されたのと同じこととなり、その結果、直流部と対地との間に対地間浮遊容量Ｃ５，Ｃ６を介して漏れ電流が流れる。特に、太陽電池２は、対地間容量が大きく、また、太陽電池２は屋外に設置されるため雨天等では、対地間容量が増大し、漏れ電流も大きくなるという問題がある。なお、図６において、１２はＬＣフィルタである。
【０００６】
本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、国内で多く利用されている三相３線式Ｖ相接地方式の系統と連系しても、インバータの直流部の対地間電位が変動しないトランスレス方式の太陽光発電用電力変換装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。
【０００８】
すなわち、本発明は、太陽電池からの直流電力を三相出力の交流電力に変換し、一相を接地した三相の系統と連系して交流電力を該系統に送り出す太陽光発電用電力変換装置において、スイッチング素子２個の直列回路の２組を有するインバータ回路を備え、このインバータ回路の直流入力部間に直流電圧を分圧する複数のコンデンサを直列接続し、前記三相出力の１つとして該コンデンサの接続部から１本の出力線を引き出し、前記三相出力の他の２つとして前記各組のスイッチング素子の中間点からそれぞれ２本の出力線を引き出してハーフブリッジインバータ回路の構成とし、該コンデンサの接続部から引き出された出力線を前記接地した相に接続し、前記ハーフブリッジインバータ回路から前記接地した相以外の２つの相にそれぞれ電流が出力されるように制御し、前記ハーフブリッジインバータ回路の前段にＤＣ／ＤＣコンバータを設け、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、該ＤＣ／ＤＣコンバータの直流入力部間に接続された平滑用コンデンサと、この平滑用コンデンサに昇圧用チョークコイルを介して並列に接続されたスイッチング素子２個の直列回路と、この直列回路と前記ハーフブリッジインバータ回路の直列接続された前記複数のコンデンサとの間に接続されたダイオードと、前記平滑用コンデンサよりも入力側に接続されたチョークコイルとを備え、該ＤＣ／ＤＣコンバータの前記直列回路の中間点を、前記ハーフブリッジインバータ回路の前記複数のコンデンサの前記接続部に接続し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに入力される入力電圧と入力電圧の目標値との偏差を第１増幅器で増幅してコンパレータにて駆動信号生成用の基準信号と比較して前記ＤＣ／ＤＣコンバータの一方のスイッチング素子の駆動信号を生成し、前記複数のコンデンサの出力電圧の偏差を第２増幅器で増幅して加算器で前記第１増幅器の出力と加算してコンパレータにて駆動信号生成用の基準信号と比較して前記ＤＣ／ＤＣコンバータの他方のスイッチング素子の駆動信号を生成するフィードバック回路を設けたことを特徴としている。
【０００９】
本発明によると、スイッチング素子２個の直列回路の２組を有するインバータ回路の直流入力部間に直流電圧を分圧する複数のコンデンサを直列接続し、三相出力の１つとして該コンデンサの接続部から１本の出力線を引き出し、前記三相出力の他の２つとして各組のスイッチング素子の中間点からそれぞれ２本の出力線を引き出してハーフブリッジインバータ回路の構成とし、該コンデンサの接続部から引き出された出力線を前記接地した相に接続しているので、三相３線式Ｖ相接地方式の系統と連系しても直流部の対地間電位変動を抑制することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の態様を図面に基づいて説明する。
【００１１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る太陽光発電用電力変換装置としてのＰＶインバータを備えるシステムの構成図である。
【００１２】
同図において、１は太陽電池２と三相３線式Ｖ相接地方式の系統電源３との間に配置された本発明に係るＰＶインバータであり、このＰＶインバータ１は、直流入力用端子台ＴＡ１、交流出力用端子台ＴＡ２、コンデンサＣ１，Ｃ２、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子２個の直列回路の２組Ｑ１，Ｑ２；Ｑ３，Ｑ４、チョークコイルＬ１，Ｌ２およびコンデンサＣ３，Ｃ４からなるＬＣフィタを備えている。なお、Ｃ５，Ｃ６は、太陽電池２の対地間浮遊容量であり、この対地間浮遊容量Ｃ５，Ｃ６は、上述のように雨天においては大きな値を示すものである。
【００１３】
直流電圧を分圧する両コンデンサＣ１，Ｃ２は、直列に接続されて直流入力用端子台ＴＡ１の正負の直流入力部（＋）（−）間に並列に接続されている。これらコンデンサＣ１，Ｃ２それぞれの容量は、等しいことが理論上は最も好ましいが、容量的に近似したコンデンサを使用していれば、制御回路４の制御によって漏れ電流の発生防止の制御が可能となる。また、両直流入力部（＋）（−）間に並列に接続されるコンデンサの数は、この実施の形態では、２つであったけれども、２つに限定されるものではなく、複数のコンデンサの接続部と一方の直流入力部（＋）との間の容量と、複数のコンデンサの接続部（−）と他方の直流入力部との間の容量とが等しければよい。
【００１４】
また、両コンデンサＣ１，Ｃ２の接続中央部（中電位点）から出力線ＯＬ２が引き出されて交流出力用端子台ＴＡ２の交流出力部▲２▼に接続されている。
【００１５】
インバータ回路を構成するスイッチング素子２個の直列回路の２組Ｑ１，Ｑ２；Ｑ３，Ｑ４の各組の直列回路の中間点から出力線ＯＬ１，ＯＬ３がそれぞれ引き出されて交流出力用端子台ＴＡ２の交流出力部▲１▼，▲３▼にそれぞれ接続されている。
【００１６】
このＰＶインバータ１の交流出力用端子台ＴＡ２の交流出力部▲１▼，▲２▼，▲３▼には、系統電源３のＵ相、Ｖ相およびＷ相がそれぞれ接続され、Ｖ相が接地されている。すなわち、三相３線式Ｖ相接地方式の系統電源３が接続されて連系される。
【００１７】
制御回路４は、インバータ回路の各スイッチング素子Ｑ１〜４のオンオフ動作を制御するものであり、太陽電池２から最大電力を取り出すように制御する。
【００１８】
この制御回路４は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２で構成されるアーム、すなわち、交流出力部▲１▼からは、Ｕ相電流を出力し、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４とから構成されるアーム、すなわち、交流出力部▲３▼からは、Ｗ相電流を出力するように制御する。Ｖ相電流は、Ｕ相とＷ相との電流の合計が流れる。ここで、Ｖ相は、接地相であるが、Ｖ相は、スイッチング素子に接続されているわけではなく、コンデンサＣ１，Ｃ２に接続されているだけなので、直列に接続されたコンデンサＣ１，Ｃ２の中間部の電位が、接地電位に安定的に固定されることになる。
【００１９】
すると、ＰＶインバータ１の直流入力の電位は変動しないため、太陽電池２の対地間浮遊容量Ｃ５，Ｃ６へ流れる漏れ電流が少なくなる。
【００２０】
すなわち、このようにスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４及びコンデンサＣ１，Ｃ２から構成されるハーフブリッジ回路５においては、Ｖ相は、コンデンサＣ１，Ｃ２の接続点中央部電位となり、直流入力部（＋）と直流入力部（−）の直流電圧は、対地との間で変動しないから、漏れ電流の発生は防止されることになる。
【００２１】
このように、連系される系統が、Ｖ相接地の三相３線式の場合、太陽電池２の対地間浮遊容量Ｃ５，Ｃ６へ流れる漏れ電流を、絶縁トランスが無くとも少なくできることになり、これによって、絶縁トランス方式のＰＶインバータを用いる従来例に比べて、低価格化、小型軽量化、総合効率の改善を図ることができ、また、回路構成が簡素化されて信頼性も向上する。
【００２２】
なお、コンデンサＣ１，Ｃ２は、その容量のバラツキなどによって均等に充電するのが容易でないので、破線で示されるように各コンデンサＣ１，Ｃ２にバランス用の抵抗器Ｒ１，Ｒ２を並列に接続するのが好ましい。
【００２３】
（実施の形態２）
図２は、本発明の他の実施の形態のＰＶインバータ１₁を備えるシステムの構成図であり、図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００２４】
この実施の形態のＰＶインバータ１₁は、図１のハーフブリッジインバータ回路５の前段に、倍電圧方式のＤＣ／ＤＣコンバータ６を設けたものである。
【００２５】
このＤＣ／ＤＣコンバータ６は、制御回路４₁によってオンオフが制御される２個のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の直列回路と、平滑用のコンデンサＣ７と、昇圧用のチョークコイルＬ３と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、チョークコイルＬ４とを備えており、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の中央部（中間点）とコンデンサＣ１，Ｃ２の中央部とを接続している。
【００２６】
昇圧用のチョークコイルＬ３は、図示した極性で＋と−とのラインに接続するように１個設けてもよいが、＋と−とのラインに各々１個ずつ設けてもよいし、さらには、＋または−の一方のラインに１個設けてもよい。
【００２７】
平滑用のコンデンサＣ７よりも入力側に設けられるチョークコイルＬ４は、十分に大きなインダクタンス値を持ったリアクトルであって、図示した極性で＋と−とのラインに接続するように１個設けてもよいが、＋と−とのラインに各々１個ずつ設けてもよい。このチョークコイルＬ４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６が、高周波スイッチングされことによって太陽電池２の対地間浮遊容量Ｃ５，Ｃ６を介して流れる高周波の漏れ電流を阻止するためのものである。
【００２８】
スイッチング素子Ｑ５の正極側がダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１の正極側に接続され、コンデンサＣ２の負極側がダイオードＤ２を介してスイッチング素子Ｑ６の負極側に接続される。
【００２９】
このＤＣ／ＤＣコンバータ６は、入力電圧である太陽電池２の電圧を目標の電圧になるよう制御するものであり、太陽電池２の電圧が目標の電圧より高い場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６のＯＮ時間を増やしてＤＣ／ＤＣコンバータ６はより大きな電力を出力し、太陽電池２の電圧を下げるように動作する。また、太陽電池２の電圧が目標の電圧よりも低い場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６のＯＮ時間を減らしてＤＣ／ＤＣコンバータ６はより小さな電力を出力し、太陽電池２の電圧を上げるように動作する。
【００３０】
このような制御によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、入力電圧である太陽電池２の動作電圧を目標値に制御し、この目標値を適宜変化させることによって、太陽電池２から最大の電力を得ることのできる太陽電池電圧を探し、その電圧近辺で動作する。
【００３１】
ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧、すなわち、ハーフブリッジインバータ回路５の入力電圧は、インバータ回路５の出力を増減して一定の電圧を維持するように制御される。
【００３２】
すなわち、ハーフブリッジインバータ回路５は、コンデンサＣ１，Ｃ２の合計の電圧を一定にするように制御されているが、これだけでは、コンデンサＣ１とＣ２との電圧が均等にならないので、コンデンサＣ１とＣ２との電圧を均等に充電するために、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の制御回路４₁には、均等充電のためのフィードバック回路を付加している。
【００３３】
図３は、このフィードバック回路の構成図である。先ず、入力電圧制御は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６に入力される入力電圧と、制御回路４₁内部の指令に基づく入力電圧の目標値との偏差を、増幅回路７で増幅してコンパレータ８を介してスイッチング素子Ｑ５の駆動信号を生成するものであり、一方、出力電圧のバランス制御は、コンデンサＣ１，Ｃ２の出力電圧の偏差を、増幅器９で増幅して加算器１０で増幅器７の出力と加算してコンパレータ１１を介してスイッチング素子Ｑ６の駆動信号を生成するものであり、両駆動信号は、位相が１８０度ずれている。
【００３４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ６のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６は、これら駆動信号により動作し、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６のＯＮ時間は、出力電力を大きくしたいときには次第に長くなり、最終的には、かなりの部分のＯＮ時間が重なることとなる。
【００３５】
なお、フィードバック回路によってコンデンサＣ１，Ｃ２の均等充電を行うので、上述の実施の形態１のように、バランス用の抵抗器Ｒ１，Ｒ２を設ける必要がない。
【００３６】
このＤＣ／ＤＣコンバータ６によって太陽電池２の出力電圧を昇圧するので、太陽電池２の動作電圧をより広く取ることができる利点がある。また、ハーフブリッジインバータ回路は、フルブリッジインバータ回路に比べて高い直流入力電圧を必要とするが、このＤＣ／ＤＣコンバータ６は、倍電圧方式であるので、低い入力電圧から高い電圧に昇圧する際でも、効率良く昇圧できる利点がある。さらにまた、直列に接続されたコンデンサＣ１，Ｃ２の各々の電圧を均等に充電することができる。
【００３７】
このように高い直流電圧が必要とされ、コンデンサを複数個直列に接続する必要があるハーフブリッジインバータ回路に最適な回路方式のＤＣ／ＤＣコンバータ６である。
【００３８】
その他の構成および効果は、上述の実施の形態１と同様である。
【００３９】
（実施の形態３）
なお、ＤＣ／ＤＣコンバータは、倍電圧方式に代えて、図４に示されるように、平滑用のコンデンサＣ７、昇圧用チョークコイルＬ３、スイッチング素子Ｑ５およびダイオードＤ１からなる昇圧チョッパ方式のＤＣ／ＤＣコンバータ６₁としてもよい。
【００４０】
（その他の実施の形態）
図２に示した平滑用コンデンサＣ７は、図５に示されるようにＤＣ／ＤＣコンバータ６の直流入力部間に直接接続するようにしてもよい。
【００４１】
なお、制御回路は、系統との連系運転を行わない自立運転出力（一定交流電圧出力）を行う場合には、運転モードを指定することにより、三相３線式、単相２線式あるいは単相３線式に対応した制御を行うので、必要に応じて、三相３線式、単相２線式あるいは単相３線式の自立運転出力を選択することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、スイッチング素子２個の直列回路の２組を有するインバータ回路の直流入力部間に直流電圧を分圧する複数のコンデンサを直列接続し、三相出力の１つとして該コンデンサの接続部から１本の出力線を引き出し、前記三相出力の他の２つとして前記各組のスイッチング素子の中間点からそれぞれ２本の出力線を引き出してハーフブリッジインバータ回路の構成とし、該コンデンサの接続部から引き出された出力線を前記接地した相に接続するので、三相３線式Ｖ相接地方式の系統と連系しても直流部の対地間電位変動を抑制することができ、トランスが無くても対地間浮遊容量を介して流れる漏れ電流を少なくできることになり、これによって、絶縁トランスを備えた電力変換装置に比べて、低価格化、小型軽量化および総合効率の改善を図ることができる。
【００４３】
また、倍電圧方式のＤＣ／ＤＣコンバータを組み合わせることにより、太陽電池の動作電圧範囲を広くすることができ、低い入力電圧からでも効率よく昇圧できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係るＰＶインバータを備えるシステムの構成図である。
【図２】本発明の他の実施の形態のシステムの構成図である。
【図３】フィードバック回路の構成図である。
【図４】本発明のさらに他の実施の形態のシステムの構成図である。
【図５】本発明のさらに他の実施の形態のシステムの構成図である。
【図６】従来例の構成図である。
【符号の説明】
１ＰＶインバータ
２太陽電池
３系統電源
５ハーフブリッジインバータ回路
６ＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims

太陽電池からの直流電力を三相出力の交流電力に変換し、一相を接地した三相の系統と連系して交流電力を該系統に送り出す太陽光発電用電力変換装置において、
スイッチング素子２個の直列回路の２組を有するインバータ回路を備え、このインバータ回路の直流入力部間に直流電圧を分圧する複数のコンデンサを直列接続し、前記三相出力の１つとして該コンデンサの接続部から１本の出力線を引き出し、前記三相出力の他の２つとして前記各組のスイッチング素子の中間点からそれぞれ２本の出力線を引き出してハーフブリッジインバータ回路の構成とし、該コンデンサの接続部から引き出された出力線を前記接地した相に接続し、前記ハーフブリッジインバータ回路から前記接地した相以外の２つの相にそれぞれ電流が出力されるように制御し、
前記ハーフブリッジインバータ回路の前段にＤＣ／ＤＣコンバータを設け、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、該ＤＣ／ＤＣコンバータの直流入力部間に接続された平滑用コンデンサと、この平滑用コンデンサに昇圧用チョークコイルを介して並列に接続されたスイッチング素子２個の直列回路と、この直列回路と前記ハーフブリッジインバータ回路の直列接続された前記複数のコンデンサとの間に接続されたダイオードと、前記平滑用コンデンサよりも入力側に接続されたチョークコイルとを備え、該ＤＣ／ＤＣコンバータの前記直列回路の中間点を、前記ハーフブリッジインバータ回路の前記複数のコンデンサの前記接続部に接続し、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータに入力される入力電圧と入力電圧の目標値との偏差を第１増幅器で増幅してコンパレータにて駆動信号生成用の基準信号と比較して前記ＤＣ／ＤＣコンバータの一方のスイッチング素子の駆動信号を生成し、前記複数のコンデンサの出力電圧の偏差を第２増幅器で増幅して加算器で前記第１増幅器の出力と加算してコンパレータにて駆動信号生成用の基準信号と比較して前記ＤＣ／ＤＣコンバータの他方のスイッチング素子の駆動信号を生成するフィードバック回路を設けたことを特徴とする太陽光発電用電力変換装置。
太陽電池からの直流電力を三相出力の交流電力に変換し、一相を接地した三相の系統と連系して交流電力を該系統に送り出す太陽光発電用電力変換装置において、
スイッチング素子２個の直列回路の２組を有するインバータ回路を備え、このインバータ回路の直流入力部間に直流電圧を分圧する複数のコンデンサを直列接続し、前記三相出力の１つとして該コンデンサの接続部から１本の出力線を引き出し、前記三相出力の他の２つとして前記各組のスイッチング素子の中間点からそれぞれ２本の出力線を引き出してハーフブリッジインバータ回路の構成とし、該コンデンサの接続部から引き出された出力線を前記接地した相に接続し、前記ハーフブリッジインバータ回路から前記接地した相以外の２つの相にそれぞれ電流が出力されるように制御し、
前記ハーフブリッジインバータ回路の前段にＤＣ／ＤＣコンバータを設け、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、該ＤＣ／ＤＣコンバータの直流入力部間に直接接続された平滑用コンデンサと、この平滑用コンデンサにチョークコイルと昇圧用チョークコイルとを介して並列に接続されたスイッチング素子２個の直列回路と、この直列回路と前記ハーフブリッジインバータ回路の直列接続された前記複数のコンデンサとの間に接続されたダイオードとを備え、該ＤＣ／ＤＣコンバータの前記直列回路の中間点を、前記ハーフブリッジインバータ回路の前記複数のコンデンサの前記接続部に接続し、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータに入力される入力電圧と入力電圧の目標値との偏差を第１増幅器で増幅してコンパレータにて駆動信号生成用の基準信号と比較して前記ＤＣ／ＤＣコンバータの一方のスイッチング素子の駆動信号を生成し、前記複数のコンデンサの出力電圧の偏差を第２増幅器で増幅して加算器で前記第１増幅器の出力と加算してコンパレータにて駆動信号生成用の基準信号と比較して前記ＤＣ／ＤＣコンバータの他方のスイッチング素子の駆動信号を生成するフィードバック回路を設けたことを特徴とする太陽光発電用電力変換装置。